什麼是燃燒？

燃燒是燃料和氧化劑 (通常是氧氣) 之間的一種化學反應類型，會產生熱和光形式的能量，最常為火焰。由於燃燒產生的熱能比消耗的多，因此它是一種放熱反應。由於燃燒涉及還原 (獲得電子) 和氧化 (失去電子)，因此也會將其歸類為氧化還原反應。 

大部分燃燒反應都需要火花或火焰產生的能量來開始燃燒過程。如果化學反應產生的能量足以繼續氧化過程，則稱為自持性燃燒。 

燃燒反應可為建築物供暖、烹飪食物、為汽車提供動力、推動飛機飛行、發射火箭及發電。人們對烴型燃燒的使用日益增加，尤其是化石燃料的燃燒，也可導致地球大氣中可吸熱的含碳分子增加。 

這就是為什麼燃燒研究 (燃燒科學) 變得越來越重要的原因。科學家和工程師致力於利用各種燃料和氧化劑產生更有效率的反應以產生更少的排放物、減少有害副產物，並使用永續或成本更低的可燃材料作為燃料來源。最佳化燃燒過程可大幅改善性能、成本和排放。

氧化還原反應是指電子在兩種材料之間轉移的一種反應。特定原子或分子中電子的數量稱為其氧化數。氧化還原反應是生命基本功能的基礎，包括光合作用、呼吸作用、腐蝕或生銹，以及燃燒。 

在我們瞭解部分常見燃燒反應之前，以下是用來描述燃燒化學的一些關鍵術語：

• 氧化劑：接受電子的離子或分子。氧化劑會氧化其他材料，或去除其他材料中分子的電子。
• 還原劑：捐贈電子的離子或分子。還原劑會還原其他材料，或為其他材料中的分子添加電子。 
• 燃料：由還原劑組成的材料。最基本的燃料是氫分子。大多數燃料為烴，但一些金屬和高反應性元素 (如磷) 可作為燃燒反應中的燃料使用。 
• 排放：為燃燒產物的離子和分子。雖然熱和光是燃燒的所需結果，但燃燒科學的重點大多在於瞭解排放並將其降至最低。 
• 烴：含氫和碳的分子，通常會與其他有機和無機化合物結合。烴可由木材等物體中的有機過程產生。化石燃料是燃燒中所用最常見的烴形式。其為有機烴，在數百萬年的熱和壓力下，形成如石油、煤炭和天然氣等複雜分子。 
• 氧化碳：僅含碳與氧原子的分子，通常是一氧化碳 (CO) 或二氧化碳 (CO2)。氧化碳是含碳燃料燃燒時最常見的排放物。 
• 氮氧化物：僅含氮與氧原子的分子。空氣燃燒所產生的兩種最常見氮氧化物為一氧化氮 (NO) 和二氧化氮 (NO2)。NO 和 NO2 的任何組合都稱為氮氧化合物。氮氧化合物是空氣污染的重要來源。 
• 火焰：正在燃燒的加熱氣體組合。火焰內部或核心區域包含氣態氧化劑和燃料的混合物，而外部或火焰前鋒則是燃燒反應發生的地方。反應產生的熱會激磁氣體中的電子，當這些受激電子塌縮至較低能階時，就會以光子形式釋放能量。 
• 催化劑：會提高化學反應率的材料。催化材料會用於燃燒，以使燃燒反應更有效率、在較低溫度下發生，並減少氮氧化合物等不需要的排放物。 
• 熱解：不涉及氧化之因熱導致的材料分解。在燃燒中，液態和固態燃料會轉換為氣態，然後其會以熱解的形式燃燒。

燃燒的化學方程式

最簡單的燃燒形式是氫燃燒。它將兩個氫分子和一個氧分子結合，產生水蒸氣：

2H2 + O2 → 2H2O + 286 kJ/mol of heat

由於氧分子由兩個具有雙鍵的原子構成，因此會產生熱形式的能量。當增加熱量時，鍵會斷裂，進而釋放更多能量。 

最簡單的烴反應劑為甲烷， CH4：

CH4 + 2O2 →  CO2 + 2H2O + 890 kJ/mol of heat

甲烷燃燒每莫耳會產生更多的熱，因為甲烷分子在碳原子與每個氫原子之間有四個單鍵。 

丙烷，即 C3H8，有兩個碳-碳鍵和八個氫-碳鍵：

C3H8 + 5O2 →  3CO2 + 4H2O + 2,220 Kj/mol of heat

汽油是一種複雜的燃料，但主要還原劑為辛烷，其八個碳原子會鍵結至 18 個氫原子。這會產生七個碳-碳鍵和 18 個氫-碳鍵：

2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + 5,483 kJ/mol of heat

化學計量燃燒反應在理論上是一種理想狀態，在此狀態下，燃料和氧氣的量完全匹配，進而產生可能最多的熱與最高的燃燒效率。 

排放

在完全燃燒中，燃燒的排放物為水，或者當存在碳時，為水和二氧化碳。但是，大部分燃燒都涉及其他分子、不完全反應以及次要反應，進而產生額外的排放物。我們將任何不需要的額外排放物稱為污染物，而燃燒科學的重點大多在於減少這些不需要的排放物。

在大多數情況下，空氣中的氮為惰性，不參與燃燒。但是，氧氣可在高燃燒溫度下與氮形成鍵，以產生氮氧化合物。此外，當可用氧氣量太低，無法與燃料發生完全反應時，可形成一氧化碳，而不是二氧化碳。燃燒期間，也可在低溫下形成揮發性有機化合物。這些化合物的沸點較低，容易與其他有機化學物質發生反應，並產生不需要的污染物。 

影響燃燒效率的因素

多種特性可決定燃燒效率。工程師可利用這些因素來設計，以提高特定燃燒應用之熱力學的效率：

• 燃料化學：在燃燒反應中釋放的能量和排放物最重要的判定因素是所氧化燃料的化學和分子構成。分子鍵可決定開始燃燒所需的能量和產生的熱。元素成分，特別是燃料中的非烴元素，可決定產生的排放物類型。在燃料化學方面，正在進行重要工作，以設計和改善合成氣、生質燃料和可再生噴射燃料等新燃料解決方案，並探索可改善燃料化學的添加劑。工程師依靠 Ansys Model Fuel Library 來輕鬆獲得舊燃料以及最新替代方案的特性。 
• 燃料和氧氣的比例：燃燒中的氧化反應由可用來與燃料發生反應的氧氣量驅動。目標是取得剛好正確的混合物，讓燃料完全燃燒，且不發生不需要的反應。 
• 溫度：燃燒的化學動力學由發生反應的溫度驅動。如果溫度太低，僅燃料中的部分可燃物質會氧化，如果溫度太高，可發生會產生氮氧化合物的不需要反應。 
• 壓力：燃燒反應中氣體的壓力越高，發生反應的速度就越快，產生的熱也就越多。這就是您在內燃機和渦輪機引擎等許多燃燒應用中看到壓縮階段的原因。 
• 混合：若要進行燃燒，化學反應涉及的分子必須處於緊密物理接近狀態。因此，對二者混合方式的設計，對於效率來說至關重要。紊流、氣流速度和火焰形狀都可決定發生此混合的方式。 
• 火焰形狀和穩定性：由於燃燒反應發生在火焰前鋒，因此火焰本身的形狀和穩定性是設計燃燒系統的重要部分。火焰中火焰與空氣之間的熱傳遞，可決定燃燒過程的溫度與效率。 

設計人員在平衡這些不同因素時面臨著許多挑戰。舉例來說，燃燒的化學動力學由混合、燃料比例、溫度和壓力的組合驅動。工程師經常使用 Ansys Chemkin-Pro™ 軟體等工具來模擬反應流並最佳化其設計，來獲得更高的效率以及最少的副產物和廢棄物。Chemkin-Pro 軟體可為與幾何無關的化學反應建模。 

同樣包含準確紊流、燃燒建模和多物種流的一般用途 CFD 軟體程式，例如 Ansys Fluent 軟體，對於在一個虛擬環境中擷取所有因素至關重要。您可以探索、瞭解及最佳化每個因素。Fluent 軟體等工具可為流體流動和燃燒的三維層面建模。 

雖然每次燃燒反應都涉及類似的化學反應，但該反應的發生方式取決於燃燒的類型、反應的效率和排放物。 

以下是最常見的燃燒類型： 

• 完全燃燒：當所有燃料在燃燒反應中完全消耗時，即稱為完全燃燒。這種對燃料的充分利用是理想狀態，燃燒系統的設計著重於盡可能達到接近完全燃燒的狀態。 
• 不完全燃燒：當燃燒反應中沒有足夠的氧氣時，即稱為不完全燃燒。煙灰和灰燼，以及一氧化碳，是不完全燃燒的副產物。由於會遺留碳化燃料，因此有時也會將這種燃燒稱為炭化。 
• 自發燃燒：某些氧化反應可產生足夠的熱，以在不添加外部能量的情況下開始燃燒。例如，磷會在空氣中自發燃燒，遺留在碎布上的一些油和清漆也會如此。某些細菌發酵過程也可產生足夠的熱來開始燃燒。 
• 悶燒：緩慢、無焰的燃燒稱為悶燒。當氧化過程在固態燃料而不是氣態燃料的表面發生時，會發生悶燒。悶燒也可稱為緩慢燃燒。 
• 快速燃燒：當燃燒在可發出熱和光的火焰中發生時，即稱為快速燃燒。大部分的燃燒工業應用都會視為快速燃燒。 
• 爆炸燃燒：當燃燒的發生速度夠快，足以造成快速、強烈的氣體膨脹時，即稱為爆炸燃燒。通常會透過點燃包含烴與氧化分子的化學物質來實現爆炸燃燒。 

燃燒有許多用途和應用。大部分的燃燒應用都會使用熱來進行進一步的化學反應 (例如烹飪)，或者會使用熱來膨脹氣體以用於做機械功 (例如在內燃機中)。在引入電燈之前，燃燒是唯一的人工光源。電力也正在取代許多熱型和壓力產生的燃燒應用。 

以下是使用燃燒的最常見方式：

• 照明：自史前以來，人類一直在使用燃燒發出的光來照明。在沒有電力或需要燭火的浪漫氛圍時，仍會用於丙烷和油燈。 
• 加熱與烹飪：自史前以來，人類也一直在使用燃燒來供熱及烹飪食物。隨著科技的進步與人口的增長，燃燒式加熱與烹飪已從燃燒木材或泥炭轉變為煤炭，然後是天然氣。 
• 自然火：林火、野火和灌木叢火形式的自然燃燒，是生物系統的重要組成部分。若非人為，自然火通常由雷電引發。 
• 內燃機 (ICE)：當燃燒在活塞內部發生時，由熱產生造成的膨脹氣體可轉換為機械能量。也會使用相同活塞來在燃燒之前壓縮空氣-燃料混合物。ICE 是高度最佳化的裝置，可持續改善。許多工程師都使用 Ansys Forte 軟體最佳化在 ICE 中發生之獨特且難以模擬的燃燒。 
• 適用於航空引擎、動力與泵送的渦輪機械：來自燃燒的膨脹氣體也可以透過使用旋轉渦輪機轉換為機械能量。也會使用旋轉能來在燃燒之前壓縮空氣。渦輪機械用來為飛機提供動力、運轉泵及產生電能。
• 旋轉爆震引擎 (RDE)：RDE 可在沒有移動零件的情況下，使用在環形結構中傳播的超音速波前來高度壓縮空氣-燃料混合物，而不是以機械功，機械壓縮引擎中的燃料-空氣混合物。 
• 火箭推進：當爆炸燃燒在燃燒室的一側蔓延時，會變成火箭推進。液態燃料火箭會使用液態氧和液態燃料 (通常是液態氫或液甲烷)。固態燃料火箭引擎會使用為氧化劑和反應劑混合物的推進劑，而混合火箭馬達會結合液態烴聚合物和液態氧化劑 (例如一氧化二氮或液態氧)。 
• 工業燃燒器：來自燃燒的熱也可用於其他化學過程的工業應用，例如蒸餾或熔化材料。工業燃燒器也可用來煮沸水以產生蒸汽，進而可將其轉換為機械能量，或用來進行長距離導熱，例如蒸汽加熱。 

即使燃燒是人類最先開發的技術之一，其仍在快速進步，且在燃料、燃燒動力學和新應用方面擁有重要研發和突破。這些努力結合了化學、物理學、流體力學和機械工程等領域。 

人工智慧 (AI) 也正在努力使燃燒的熱化學達到最佳化，並協助工程師開發新方法來處理所需高溫，以實現更乾淨、更有效率的燃燒。 

燃料研究的重點大多在於氫與生質燃料的使用上，尤其是永續航空燃料 (SAF) 的使用上。雖然航空碳排放僅佔 2.4%，但預期到 2050 年，商務航班量將增加到三倍。因此，現在正是尋找永續且對氣候變遷影響較低的燃料來源的時候。 

與傳統噴射燃料相比，燃料必須減少 50% 或以上的排放，才能視為 SAF。也正在努力將氫氣加入燃料中，或將氫氣直接用於工業燃燒器、ICE 和渦輪機引擎。 

只增加幾個百分點，就會讓發電成本和長期排放產生巨大差異。科學家和工程師正在建構複雜的模擬，以瞭解火焰形狀、火焰穩定性，以及燃燒流的出口剖面，進而產生更高的能量和更低的排放。 

其他群組也正在努力改善燃燒產生的噪音，且更好地流體建模方式，尤其是紊流模擬，可提高效率。 

在對燃料和燃燒過程本身進行這些改善時，各行業的團隊正著手進行新的燃燒應用。對實現更快飛行的追求，推動衝壓引擎和超音速燃燒衝壓引擎設計的新進步，且會使用機體的前進速度來壓縮空氣以進行燃燒。因應措施 RDE 指向用於產生電能之天然氣渦輪機的主要效率改善。柴油引擎的增強功能表明，高效率 ICE 發電廠與電動傳動系統結合，在降低機車和大型卡車排放方面的價值。 

所有這些努力都將提高效能，並在降低燃燒副產物 (溫室氣體) 的情況下，朝更永續的未來邁進。 

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